牙轮钻头纵向横向扭转振动动力学仿真研究

随着石油资源钻探难度的不断加大，有效地预测和控制井下钻头和钻柱动力学性能和运动规律，以提高钻头和钻柱的强度，实现对井眼轨迹的精确控制是目前钻井工程中的拟解决的关键技术难题。根据牙轮钻头的实际振动状态，分析了钻头产生各种振动的机理，讨论了钻头－岩石互作用力，用能量法建立了考虑牙轮钻头纵向、横向、扭转三个方向振动相互耦合的系统动力学模型，并结合实例对牙轮钻头系统进行了动态仿真。     

硬地层单牙轮-PDC钻扩联合钻头破岩特性

提出了新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头,先依靠单牙轮破岩钻孔,释放地应力,产生岩石损伤,再助推PDC钻头刮切破岩。运用有限元法,建立钻扩联合钻头、双级PDC和常规PDC钻头破岩的非线性动力学模型。通过对岩石本构关系进行D-P准则描述以及确定岩石破碎的判据,分析钻扩联合钻头钻进硬地层的破岩机理,开展了3种钻头动态破岩过程的对比研究。结果表明：钻扩联合钻头在钻进过程中井底井壁的岩石应力得到明显释放,大大提高了岩层可钻性;在硬地层中钻扩联合钻头钻进速度提高的主要原因是拉应力破岩;钻扩联合钻头在硬地层钻进过程中的扭转振动大大降低,破岩效率更高,钻头寿命更长;由于单牙轮领眼破碎岩石的作用,钻扩联合钻头对井底岩石的冲击破碎能力更强,在硬地层中钻进更快。研究结果为新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头的研发提供了参考。     

钻井液与钻柱的耦合纵向振动分析

考虑钻井液与钻柱的泊松耦合,基于管内外钻井液与钻柱间的耦合纵向波动方程组,应用特征矢量法,研究地层切变模量和钻柱泊松比边界对钻柱内纵向应力波和钻井液纵向压力波传输的影响。在此基础上推导钻柱纵向振动的频率方程,引入等效质量分析管内外液动压力下的钻柱固有频率。理论求解表明,钻柱的泊松效应造成应力波与压力波耦合,且管内外不同介质间的波速耦合对压力波的影响明显,而对应力波的影响较弱,故耦合对泥浆脉冲传输的影响远大于钻柱声遥测。钻井液的液动压力增加纵振的惯性质量,导致固有频率与不考虑钻井液相比有较大下降。综合等效粘惯性质量、粘性阻尼系数和钻井液惯性力,建立多因素影响下的钻柱纵向耦合振动模型。     

考虑横向惯性效应的钻柱纵向振动特性研究

在理论分析的基础上,提出利用改进Rayleigh-Love杆模型,研究考虑横向惯性效应的钻柱纵向振动问题。根据钻柱实际工作情况,以钻柱整体为研究对象,假设钻柱为能被分成若干个有阻尼特性的Rayleigh-Love杆,以及钻柱内外的钻井液为性质相同的弹性层,据此建立其力学模型和振动微分方程;利用模型中的边界条件和参数之间的关系,得到钻柱底部复阻抗的求解方法,求出钻柱底部动刚度的具体表达式;并分析了不同相关参数对钻柱动刚度的影响。研究结果表明:钻柱动刚度随着频率的增大呈现振幅逐渐增大的周期性变换规律;其他相关参数保持不变,频率相同时,动刚度的绝对值与钻柱长度成反比,与钻柱横截面面积成正比;阻尼系数越大,导致井底对钻柱的作用力也越大,钻柱动刚度的振幅反而越小;钻柱的泊松比越大,随着频率的增加,动刚度的变化周期越长。     

PDC钻头切削齿破岩技术研究

在钻井过程中,鉴于PDC钻头切削齿的布局对PDC钻头的稳定性和钻井效率起着关键作用,国外研发设计了一种新型切削齿布局方法.即以切削齿的力平衡组来布齿,该力平衡组包含3个或4个连续切削齿,这些切削齿均匀且按一定角度分布在钻头周围主刀翼和副刀翼上,通过调整连续齿之间的角度和径向半径使切削齿组达到力平衡.实验结果表明,该技术...     

牙轮钻机钻井时钻头纵向振动特性影响牙轮轴端磨损机理分析

牙轮钻头轴端的磨损是多方面因素造成的,主要从牙轮钻机钻井时钻头纵向振动特性对牙轮轴端的影响进行牙轮轴端磨损机理分析,首先建立三牙轮钻头纵向动力学模型,并在此基础上对三牙轮钻头进行振动特性分析,探究牙轮纵向振动对牙轮轴端磨损的影响,建立牙轮微动磨损数值计算模型,得出牙轮轴端的磨损体积主要受牙轮轴和轴承的接触面的法向压力和牙轮轴和轴承之间的切向相对滑移距离影响。最后对三牙轮钻头的磨损机理进行分析,对牙轮钻头寿命的提高的研究有积极的推动作用。     

多孔射流钻头破岩钻孔规律试验研究

利用自行研制的射流破岩系统,对淹没和围压条件下多孔射流钻头的破岩钻孔规律进行了试验研究,重点考虑了水力参数(冲蚀时间、射流压力、围压、喷距)和结构参数(孔眼数量和侧向孔眼扩散角)对破岩效果的影响,结果表明:随着冲蚀时间的增加,破岩效果先增加,后趋于平缓;随着射流压力的增大破岩效果随之增大;随着围压的增加破岩效果随之减小;随着喷距的增加破岩效果呈先增大后减小的趋势,存在最优喷距范围;随着孔眼数量的增多,破岩成孔形状越来越圆整;随着侧向孔眼扩散角的增大,破岩效果呈先增大后减小趋势,存在最优扩散角范围。试验结果可为多孔射流钻头水力参数选择和结构参数设计提供依据。     

PDC钻头切削破岩机理及数值模拟研究

由于PDC钻头几何外形、岩石材料以及井底钻井工况的复杂性,PDC钻头切削破岩机理的研究一直都是难点问题。基于单齿切削机理,引入岩石比功ε,推导出钻井钻压W、扭矩t和切削厚度d之间的关系,建立切削比功E与钻井强度S的二维图;同时结合接触摩擦分量,分析并阐述了破岩过程的概念模型;通过有限元方法建立全尺寸PDC钻头动态破岩的非线性动力学三维仿真模型,开展PDC钻头切削破岩机理的研究,进一步分析PDC钻头破岩过程的响应规律。结果表明:岩石损伤与应力云图可直观反映钻井过程岩石损伤剥落形成井眼及井底应力分布状况;PDC钻头钻进方向的位移、加速度和扭矩响应规律与理论分析相一致,并揭示了PDC钻头钻进过程中的"进尺台阶"现象,亦佐证了破岩过程的概念模型。     

牙轮钻头轴承径向密封的研究

本文基于环形径向旋转动密封的基本理论，设计准则以及摩擦扭矩，结合实际工，结合实际工况，重新分析评估核算了牙轮钻头轴承润滑系统的部分设计参数，提出了需要改进之处和钻头轴承密封的研究方向。     

硬地层复合钻头破岩特性与提速机理研究

PDC-牙轮复合钻头是一种综合了PDC钻头与牙轮钻头结构特点和工作原理的新型钻头,能更高效地钻进硬地层。但由于对其破岩机理认识不足,使得PDC-牙轮复合钻头的研发具有盲目性,推广受限。基于弹塑性力学和岩石破碎学,采用Drucker-Prager准则描述岩石本构关系,塑形应变作为破岩判据,通过有限元法建立全尺寸复合钻头和PDC钻头动态破岩的非线性动力学模型,分析了复合钻头作用下硬地层岩石的破坏机制,对比了硬地层中两种钻头的动态破岩过程。结果表明:复合钻头钻井能满足井壁稳定性的要求,然而一旦井壁失稳,井壁岩石将大块脱落;以拉应力破岩为主是复合钻头在硬地层中大幅提高机械钻速的原因之一;硬地层中复合钻头扭转振动低于PDC钻头,破岩效率更高;由于牙轮滚动的多边形效应,复合钻头沿钻进方向对岩石的冲击较PDC钻头更大,能更快钻进硬地层。     

偏心质量引起旋转系统振动的动力学研究

从单自由度系统受简谐激励振动发生的力学机理出发,对高速旋转的偏心质量机械系统进行振动分析.利用幅频特性曲线和相频特性曲线分析了系统稳态响应的动力学特征,进而探讨了系统各特性参数对高速旋转偏心质量机械系统振动的影响.     

新型单牙轮钻头研究及应用

川西地区探井多用小尺寸钻头(6左右)钻头钻三开后的井段,由于井眼直径小,小尺寸牙轮钻头不但机械钻速慢,而且钻头消耗多、起下钻作业增加。人们研制了一种新型小尺寸钻头,它主要由一个偏置的多锥形牙轮、一个圆柱形滚轮及两个牙掌组成。通过新型单牙轮钻头前期科学研究、产品试制和台架试验,进行相关工艺技术研究及应用,有助于解决川西地区探井小井眼机械钻速慢、钻井效益低的实际生产难题。结果表明,单牙轮钻头钻速接近PDC钻头,远高于三牙轮钻头,具有较好的技术经济指标,值得进一步推广应用。     

牙轮钻头密封试验机工作机理研究

牙轮钻头轴承密封圈的密封性能对钻头的使用寿命有重要影响.牙轮钻头密封试验机是进行牙轮密封基础研究和性能检测的重要装备.研制的试验机主要由试验机、泥浆缓冲罐、电机扭矩仪总成、计算机数据采集和控制系统等组成.试验机由计算机自动控制,实验数据均由高精度传感器测定并由计算机采集和处理.     

PDC钻头切削断面对破岩效率的影响

基于弹塑性力学和岩石力学,以Drucker-Prager 准则作为岩石的本构关系,采用剪切失效准则,在验证岩石模型及PDC齿破岩建模方法可行性的基础上,建立了PDC齿切削3种典型断面岩石的三维有限元模型,并针对井底不同围压,研究了切削断面的面积、切削齿的后倾角及侧转角对破岩效率的影响。结果表明：不论何种围压,减小切削断面的面积有利于岩石的破碎,且应多采用宽切削断面进行PDC钻头径向布齿;切削齿后倾角对岩石破碎效率影响大于切削齿的侧转角对岩石破碎效率影响,切削齿最优破岩后倾角在低围压下为5°,在高围压下为20°。     

牙轮钻头轴承RB润滑脂流变性研究

在不同温度和不同剪切速率条件下,对牙轮钻头专用润滑脂的高温流变性进行了实验研究,通过对实验数据的分析处理,得到了牙轮钻头专用润滑脂的名义粘度随温度和剪切速率的变化规律,并找到了该润滑脂适用的最佳工况温度和剪切速率。结果表明,该润滑脂的流变性质表现为典型的B inham流体,适用于高温、高剪切率下的工况。     

面向并行工程的牙轮钻头设计

牙轮钻头是石油钻井中的重要工具,其结构及工作状况复杂.本文基于并行工程思想,建立了牙轮钻头并行开发流程和系统体系;以Pro/E软件作为设计平台,进行二次开发,开发出支持并行工程的牙轮钻头参数设计软件,可以大大提高设计质量,减少试制次数,缩短设计周期,提高一次设计成功的概率,从而极大地降低开发成本.     

牙轮钻头磨削工艺的探讨

一、前言随着石油工业不断发展及石油需要量不断增长,密封滑动轴承牙轮钻头是石油工业的急需关键设备,目前国内石油钻头的生产设备已不能满足发展的需要,研究牙轮钻头磨削工艺,对开发石油资源具有重大意义。据资料介绍,在这方面有较高水平的美国休斯(Hughes)、史密斯(Smith)、赛克瑞斯特(Seorest)三家公司,已改变过去加工方法,采用数控机床和专用的加工中心机床,合并多道工序,减少装夹次数,提高工效及加工精度。大跑道精磨工序采用套磨方法,个别公司采用整体全套磨,作为提高磨削效率和精度的措施。全套磨磨削工艺是目前比较先进的加工方法,也是当前发展的趋势。目前,国内有关牙轮钻头制造厂生产石油钻头的工艺及设备不够理想,存在工序分散、精度难控制、用内圆砂轮磨削时砂轮磨耗大、生产率低及钻头寿命短等缺陷,与国外同类产     

牙轮钻头径向非对称扁平密封性能研究

为了提高HAR橡胶密封圈寿命,提出一种新的径向非对称扁平密封结构。相比传统对称截面扁平密封圈,径向非对称截面的密封接触面积更小,因而减小了内圈动密封面旋转产生的热量以及磨损。通过试验对比氢化丁腈橡胶(HNBR)与丁腈橡胶（NBR）的性能,选择出合适的橡胶密封圈材料;分别建立径向非对称扁平密封圈与传统对称截面扁平密封圈的有限元模型,对比2种结构的密封性能;在不同的环境压力和温度下对径向非对称扁平密封圈的密封性能进行评价,并在现场进行应用验证。仿真结果表明：径向非对称扁平密封圈接触应力更大,密封性能更优;同时,其Mises应力明显低于传统对称截面扁平密封圈,证明径向非对称扁平密封更适合长期稳定工作。现场应用结果同样验证：在高温高压工况下,径向非对称扁平密封圈密封性能可靠,具有较高的实用价值。     

牙轮钻头单金属密封结构优化研究

牙轮钻头单金属密封结构起到阻碍钻井液进入轴承腔、防止润滑脂泄漏的作用,但是单金属密封结构在高转速、高钻压情况下容易失效。为了提升单金属密封结构的密封性能,使用ABAQUS建立其有限元模型,分析静环斜面倾角、静环楔入角和动密封面长度变化对动密封面接触应力的影响规律。结果表明:静环斜面倾角从13°到21°的变化过程中,最大接触应力逐渐增加,且峰值都出现在动密封面的外侧0.5 mm处;动密封面接触长度从2.5 mm到4.5mm的变化过程中,接触应力逐渐增大,但变化不明显;静环楔入角从1°增至9°时,接触应力呈减小趋势,且变化也不明显,最大值分布在动密封面的外侧。因此,静环斜面倾角对接触应力影响较大,而静环楔入角和动密封面接触长度相对较小。利用正交优化实验进行密封结构的敏感性研究,得到密封结构最优结构参数。优化后最大接触应力增加62.72%,平均接触应力增加17.02%,提高了单金属密封结构的密封性能。     

牙轮钻头储油杯的改进设计

调查我厂生产的某型号钻头的使用情况,发现早期失效占钻头总数的65%,其中轴承失效约为70%,是影响钻头寿命的主要原因。解剖发现该批钻头的轴承润滑不够充分,原因是储油系统存在不足。改进了储油杯的设计,提高储油腔的压力,实现自动补充润滑脂,使钻头的平均寿命达到70h左右。